SkalAb: Mehrskalige Analyse aquatischer Abbaumechanismen von Polymerwerkstoffen

Das IKK hat mehr als 2 Mio. Euro Investitionsförderung finanziert über den „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) als Teil der Reaktion der Union auf die COVID-19-Pandemie“ und mit Beteiligung des Landes Niedersachsens für das Projekt mit dem Akronym „SkalAb“ (Mehrskalige Analyse aquatischer Abbaumechanismen von Polymerwerkstoffen) erhalten.

Hinter dem Projekt steht der Aufbau einer umfangreichen Infrastruktur für die Bearbeitung einer Vielzahl offener Fragestellungen zum Abbauverhalten von polymeren Werkstoffen im Wasser, denen das IKK aktuell und zukünftig nachgeht.

Mit den EFRE-Mitteln hat das IKK ein mehrskaliges, flexibles Prüflabor errichtet, bestehend u. a. aus verschiedenen Mikro- und Mesokosmen, mit deren Hilfe das Synthetisieren und die Steuerung der Umgebungsbedingungen natürlicher aquatischer Habitate (z. B. Flüsse, Seen und Meere) für systematische Abbauexperimente möglich wird. Mit Hilfe dieser Forschungsinfrastruktur kann gezielt das biologische, chemische und mechanische aquatische Abbauverhalten bei realitätsnaher Überlagerung der verschiedenen material- und umweltrelevanten Einflussgrößen ermittelt werden. Darüber hinaus können der zeitliche Einfluss, die Degradationskinetik sowie die Zusammenhänge zwischen Material und Umweltparametern einschließlich der zugehörigen Abbaumechanismen und der begleitenden Wasseranalytik bzgl. möglicher Abbauprodukte systematisch untersucht werden, so dass es möglich wird, Halbwertszeiten für Materialien oder Bauteile in Abhängigkeit der verschiedenen Einflussparameter vorherzusagen und weniger umweltschädliche Werkstoffe für bestimmte Anwendungen gezielt zu entwickeln.

Umsetzung

Konkret wurde im Rahmen des Projekts SkalAb die im Folgenden beschriebene Infrastruktur aufgebaut:

Probenvorbereitung

Mit Hilfe der Probenvorbereitung können Kunststoffproben gezielt in vorgegebenen Materialzusammensetzungen, Morphologien/Geometrien (z. B. Mikroplastik, Filamente, Granulate, Platten, Prüfkörper), Kristallinitäten und Vorbewitterungsstadien hergestellt bzw. bearbeitet werden.

Dazu gehören:

• Zerkleinerung mittels Kryomühle
• Fraktionierung mittels Siebmaschine
• Probenzuschnitt mittels Wasserstrahlschneiden

Biologische Abbaubarkeit

Grundvoraussetzung für den Endabbau von Kunststoffen ist ihre Abbaubarkeit durch Mikroorganismen. Um diese biologische Abbaubarkeit unter verschiedenen Umweltbedingungen zu bestimmen stehen die folgenden Systeme zur Verfügung:

• Geschlossenes respirometrisches Messsystem OxiTop (insg. 120 Messstellen)
• Offenes respirometrisches Messsystem Echo Respirometer
  • 36 Messstellen
  • CO₂-, O₂- und CH₄-Sensoren
  • Untersuchung in wässriger Matrix und Bodenmatrix

Süß- und Salzwassermikrokosmen

Die Mikrokosmen dienen zur Nachstellung verschiedener Umweltbedingungen. Mit ihnen kann der Einfluss verschiedener abiotischer Parameter wie Temperatur, UV-Einstrahlung, Salzgehalt etc. auf das Degradationsverhalten von Kunststoffproben untersucht werden. Es wurden zwei Arten von Mikrokosmos-Systemen aufgebaut:

• Mikrokosmos Brandungszone
  • 1 L-Aquarien (40 Stück)
  • Tribologische Belastung durch Erzeugung von Wellen
  • Temperaturkontrolle
  • UV-Einstrahlung
  • Untersuchung von Partikeln, Fasern, Filamenten etc.

• Mikrokosmos Wassersäule / Sediment
  • 200 L-Aquarien (120 Stück)
  • Temperaturkontrolle
  • UV-Einstrahlung
  • Untersuchung von Prüfkörpern (Bulk-Materialien)

Süß- und Salzwassermesokosmen

Um spezifische Umweltszenarien nachzubilden bzw. auch makroskopische Proben untersuchen zu können, wurden im Rahmen des mehrskaligen Konzepts verschiedene Mesokosmen entwickelt:

• Wellenkanäle
  • 6 Becken mit jeweils 6 m Länge, Volumen ca. 6.000 L
  • Wellenerzeuger zur Nachstellung verschiedener tribologischer Belastungen
  • Temperaturkontrolle
  • UV-Einstrahlung
  • Untersuchung von Prüfkörpern (Bulk-Materialien)

• Tidenhubmesokosmen
  • 6 Becken mit jeweils 2 m Durchmesser, Volumen ca. 1.900 L
  • Simulation von Ebbe und Flut
  • Temperaturkontrolle
  • UV-Einstrahlung

Analytische Methoden

Für eine umfassende Beschreibung des Abbauverhaltens von Kunststoffen ist eine geeignete Analytik notwendig, welche die Veränderungen der Proben auf verschiedenen Ebenen (morphologisch, polymerchemisch) erfassen kann. Hierzu wurden die folgenden Methoden etabliert:

• Filtrationssysteme zur Probenaufbereitung
• Polymerchemische Analytik
  • Py-GC/MS
  • GPC
• Partikelanalytik
  • Optische Partikelanalyse
  • IR-/Raman-Mikroskopie
• Wasseranalytik
  • Chemischer Sauerstoffbedarf (COD)
  • Gesamter organischer Kohlenstoff (TOC)

Übergeordnetes Projektziel

Die Realisierung dieses Projektes trägt zur Erreichung der Ziele des Green Deals und der Strategie Europa 2020 bei, die die Förderung einer ressourcenschonenden und ressourceneffizienten, modernen, ökologischeren und wettbewerbsfähigeren Wirtschaft vorantreiben sollen.

Projekte am IKK zum Abbauverhalten von Kunststoffen

Es laufen aktuell bereits mehrere Forschungsprojekte zum Thema aquatische Abbaubarkeit am IKK. Diese profitieren von den fortschrittlichen Versuchsaufbauten und Analysemethoden von SkalAb und generieren dadurch neue bzw. realitätsnahe Ergebnisse.

Hierzu gehören die Projekte:

• Marin bioabbaubare biobasierte Kunststoffe (MabiKu)
• Abbauverhalten von Reifenabrieb in aquatischen Ökosystemen (AbRas)
• Diversity Enhancement through Seagrass Restoration (SeaStore)

Unterstützung

Bei der Umsetzung des Projekts SkalAb haben durch ihre fachliche Expertise unterstützt:

• HYDRA Marine Sciences GmbH
• Ludwig-Franzius-Institut für Wasserbau und Ästuar- und Küsteningenieurwesen (LuFI) der Leibniz Universität Hannover
• Private Hochschule für Wirtschaft und Technik Vechta/Diepholz (PHWT)

Ansprechpartner

Dr. Florian Bittner
bittner@ikk.uni-hannover.de
+49 511 762 13301